CN106560730B - 金属异物检测装置、检测方法、判断装置及无线充电系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种金属异物检测装置，所述金属异物检测装置包括第一方向上平行且均匀排列的m个检测线圈和第二方向上平行且均匀排列的n个检测线圈，第一方向上的检测线圈与第二方向上的检测线圈叠加；所述检测线圈由k个线圈单元构成，从所述检测线圈的一端开始，两两线圈单元为一组，各组包含的线圈单元不相同，且每组内的两个线圈单元的面积相等、绕向相反，将所述检测线圈的各个线圈单元置于磁场中时，所述检测线圈的电压或电流在预设的取值范围内。本发明还公开一种金属异物检测方法、判断装置及无线充电系统。本发明提高了无线充电系统对金属异物检测的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及电动汽车领域，尤其涉及金属异物检测装置、检测方法、判断装置及无线充电系统。
背景技术
随着化石能源逐渐枯竭和环境污染日益加剧，人类正在寻求更加绿色清洁的替代能源及节能环保的生活方式。为缓解传统汽车对化石能源的依赖程度并减小尾气的排放量，电动汽车是一种较好的解决方案。电动汽车将电能转化为驱动力，具有零排放、零污染的特点，可以大大降低对化石能源的依赖程度，减小尾气的排放量。电动汽车逐渐成为机动车辆未来发展的重要方向，目前许多国家政府都在大力支持和推广发展电动汽车。
目前，电动汽车充电主要采用的是有线充电和无线充电两种方式。有线充电虽然效率较高，但是充电过程不灵活，需要反复插拔充电电缆，存在滑动磨损、导线老化及接触电火花等安全隐患。另外在场地安装方面，充电站的修建与传统加油站类似，受建设场地制约，建设成本很大。
无线充电可以克服上述缺点，采用一个原副边完全分离、无电气连接的变压器，利用原副边的互相磁场耦合实现电能透过空气在原副边之间进行传输。显然，去掉电动汽车与充电电源的直接电气连接，实现电能的无线传输，则可以使电动汽车在行进过程中频繁充电，并减少在充电过程的人工操作环节。所以，无线电能传输是在当前电动汽车蓄电池储能能力不足、体积重量庞大、造价昂贵的背景下，实现“分布式充电”的有效解决方案。无线充电可以降低电动汽车成本、缩短电池充电时间、提高充电安全性，使电动汽车的使用更为便捷舒适。
对于公共电动汽车充电站来说，其停车位一般处于露天环境中，停车位的地面侧原边线圈上和可能会掉落硬币、铁片、金属包装纸等金属物体。由于无线充电过程中，原边线圈和副边线圈之间具有很强的交变磁场，若地面侧原边线圈表面或原边线圈和副边线圈之间存在金属异物，则金属异物会产生感应电动势，会造成较大的功率损耗，感应电动势将会使异物的温度上升，严重时会引起火灾，然而现有无线充电系统中，对金属异物的检测灵敏度还不够高。
发明内容
本发明提供一种金属异物检测装置、检测方法、判断装置及无线充电系统，旨在提高无线充电系统对金属异物检测的灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供一种金属异物检测装置，所述金属异物检测装置包括第一方向上平行且均匀排列的m个检测线圈和第二方向上平行且均匀排列的n个检测线圈，第一方向上的检测线圈与第二方向上的检测线圈叠加；所述检测线圈由k个线圈单元构成，从所述检测线圈的一端开始，两两线圈单元为一组，各组包含的线圈单元不相同，且每组内的两个线圈单元的面积相等、绕向相反，将所述检测线圈的各个线圈单元置于磁场中时，所述检测线圈的电压或电流在预设的取值范围内。
优选地，所述线圈单元的大小小于预设的最小金属异物的大小。
优选地，所述检测线圈上连接有一个或多个元器件。
优选地，所述m个检测线圈与所述n个检测线圈交错叠加。
优选地，所述m个检测线圈和所述n个检测线圈构成所述金属异物检测装置的第一层线圈，所述金属异物检测装置还包括与所述第一层线圈完全相同的第二层线圈，所述第一层线圈与所述第二层线圈在第三方向和/或第四方向上交错叠加。
为实现上述目的，本发明还提供一种基于上述金属异物检测装置的金属异物检测方法，所述金属异物检测方法包括：
获取所述金属异物检测装置置于磁场中时各个检测线圈的电压或电流；
根据预置的所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压或电流的取值范围，确定出获取到的检测线圈的电压或电流不在其相应的取值范围内的检测线圈；
在确定出的检测线圈的个数大于0且小于所述金属异物检测装置中检测线圈的总数时，确定在磁场中存在金属异物，否则，确定在磁场中不存在金属异物。
优选地，所述金属异物检测方法还包括：
在磁场中存在金属异物时，根据各个方向上确定出的检测线圈的交叉点确定金属异物的位置和/或大小。
为实现上述目的，本发明还提供一种基于上述金属异物检测装置的金属异物判断装置，所述金属异物判断装置包括：
获取模块，用于获取所述金属异物检测装置置于磁场中时各个检测线圈的电压或电流；
确定模块，用于根据预置的所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压或电流的取值范围，确定出获取到的检测线圈的电压或电流不在其相应的取值范围内的检测线圈；
判断模块，用于在确定出的检测线圈的个数大于0且小于所述金属异物检测装置中检测线圈的总数时，确定在磁场中存在金属异物，否则，确定在磁场中不存在金属异物。
优选地，所述金属异物判断装置还包括：
定位模块，用于在磁场中存在金属异物时，根据各个方向上确定出的检测线圈的交叉点确定金属异物的位置和/或大小。
此外，为实现上述目的，本发明还提供一种无线充电系统，包括基建端和车载端，所述基建端的发射线圈表面敷设有上述金属异物检测装置，所述基建端包括上述金属异物判断装置。
优选地，所述金属异物判断装置设置在基建端的控制器，所述金属异物检测装置中的检测电路与所述基建端的控制器相连，所述检测电路用于获取所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压或电流信号，并将获取到的各个检测线圈的电压或电流信号经过处理后发送到所述基建端的控制器。
本发明提出的金属异物检测装置、检测方法、判断装置及无线充电系统中，所述金属异物检测装置包括第一方向上平行且均匀排列的m个检测线圈和第二方向上平行且均匀排列的n个检测线圈，第一方向上的检测线圈与第二方向上的检测线圈叠加；所述检测线圈由k个线圈单元构成，从所述检测线圈的一端开始，两两线圈单元为一组，各组包含的线圈单元不相同，且每组内的两个线圈单元的面积相等、绕向相反，将所述检测线圈的各个线圈单元置于磁场中时，所述检测线圈的电压或电流在预设的取值范围内，这种结构的金属异物检测装置，由于同一方向上的各个检测线圈平行且均匀排列，不同方向上的检测线圈叠加，能够较大程度地检测到磁场中存在的金属异物，提高对金属异物检测的灵敏度。
附图说明
图1为本发明金属异物检测装置一实施例中各个检测线圈排列的结构示意图；
图2为本发明金属异物检测装置中具有不同线圈单元形状的检测线圈的外观示意图；
图3为本发明金属异物检测装置中检测线圈的一个通用外观示意图；
图4(a)-(b)为本发明金属异物检测装置中检测线圈分别在垂直方向和水平方向上的排列示意图；
图5为存在检测盲点的金属异物检测装置中部分检测线圈排列的结构示意图；
图6为消除检测盲点的一种金属异物检测装置中部分检测线圈排列的结构示意图；
图7为本发明金属异物检测方法第一实施例的流程示意图；
图8为本发明金属异物检测装置坐标化后的示意图；
图9为本发明金属异物判断装置第一实施例的功能模块示意图；
图10为本发明金属异物判断装置第二实施例的功能模块示意图；
图11为本发明无线充电系统一实施例的结构示意图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明提供一种金属异物检测装置，如图1所示，示出了本发明金属异物检测装置一实施例中各个检测线圈排列的结构示意图。所述金属异物检测装置包括第一方向上平行且均匀排列的m个检测线圈和第二方向上平行且均匀排列的n个检测线圈，第一方向上的检测线圈与第二方向上的检测线圈叠加；所述检测线圈由k个线圈单元构成，从所述检测线圈的一端开始，两两线圈单元为一组，各组包含的线圈单元不相同，且每组内的两个线圈单元的面积相等、绕向相反，将所述检测线圈的各个线圈单元置于磁场中时，所述检测线圈的电压或电流在预设的取值范围内。
进一步地，所述m个检测线圈与所述n个检测线圈交错叠加。
可选地，所述检测线圈上连接有一个或多个元器件。
所述金属异物检测装置的外形可以为正方形、矩形、圆形、菱形等，具体形状不受限定。所述线圈单元的形状也不受限定，优选地，所述线圈单元的形状为矩形、圆形、三角形、多边形之一。所述检测线圈可以由一根导线，或多根导线串联，组成闭合感应的线圈，其中，导线可采用铜线、PCB线圈、银线等金属材质，还可以采用石墨粉等其他导电材料，可根据需求在导线上连接一定数量的各种元器件，如电阻、电容、电感、互感器等。
所述平行且均匀排列是指同一方向上的各个检测线圈按照预置的同一距离值进行排列，该距离值根据实际需求而定，一般地，该距离值取值较小。所述第一方向和所述第二方向可以是平面上成一定夹角(除180度夹角外)的两个不同的方向，在本实施例中，所述第一方向为水平方向，所述第二方向为垂直方向。m、n的取值为正整数，k的取值为大于或等于2的正整数。所述检测线圈的一端，可以是所述检测线圈中检测电压或电流的一端(如图2(a)的最右端)，也可以是检测电压或电流的一端的对端(如图2(a)的最左端)。
各个检测线圈的电压或电流的取值范围由预设的边界值、开/闭区间符号确定，例如，一个检测线圈的电压的取值范围为[0,3)，表示取值范围为大于或等于0且小于3。在以电压为参数进行检测时，电压的取值范围中的边界值均为电压值，在以电流为参数进行检测时，电流的取值范围中的边界值均为电流值，电压或电流的取值范围中的边界值的取值，可通过在没有金属异物的情况下，多次测量在磁场中的检测线圈的电压或电流进而统计分析获得。
参照图2(a)-(b)，图2(a)为线圈单元的形状为多边形的一个检测线圈，图2(b)为线圈单元的形状为圆形的一个检测线圈，这两种检测线圈均由面积相等但绕组方向相反的两个线圈单元组成。以图2(a)为例，C1和C2为两个线圈单元，由于C1和C2的面积相等但绕组方向相反，将由C1和C2组成的检测线圈放在同向且均匀的磁场(磁感应强度B相等)中后，根据磁通量计算公式，可以计算出通过C1的磁通量与通过C2的磁通量相等。由于这两个线圈单元的绕组方向相反，根据电磁感应定理的计算公式，可以计算得到图2(a)中检测线圈两端的电压V＝0，相应地，通过该检测线圈的电流I＝0。
可以理解，假设C1平面上存在金属异物，由于金属异物有改变磁力线方向或磁力线的强度等特性，在同向且均匀的磁场中，通过C1的磁感应强度就会与通过C2的磁感应强度不相等，导致通过C1的磁通量就不等于通过C2的磁通量，因而，图2(a)中检测线圈两端的电压V就不等于0，相应地，通过该检测线圈的电流就不等于0。金属异物在所述金属异物检测装置上覆盖的面积越大，C1和C2之间的磁通量相差就越大，检测线圈两端的感应电压就越大。
根据上述原理，就可以通过计算检测线圈两端的电压或计算通过检测线圈的电流，判断出在均匀磁场中是否存在金属异物，本发明金属异物检测装置中的各个检测线圈即是基于这一原理进行设计，即本发明中所述检测线圈由若干组类似C1和C2的两个相邻线圈单元组成，如图3所示。
如果所述金属异物检测装置的检测线圈之间或处理电路之间的一致性足够好，那么k取偶数就可以实现检测线圈两端的电压接近于0，甚至是等于0。如果所述金属异物检测装置的检测线圈之间或处理电路之间的一致性不够好，那么k取偶数就不能保证检测线圈两端的电压等于或接近于0。解决这一问题的办法有两种，一种是将k取奇数，即1到n-1个线圈单元为偶数个，这偶数个线圈单元两端总的电压由于所述金属异物检测装置的检测线圈之间或处理电路之间一致性不够好的原因而不能完全抵消，这时可通过第n个线圈单元补偿掉偶数个线圈单元两端的电压，其中，第n个线圈单元的面积可以根据实际需要调整其面积大小，以保证检测线圈两端的电压等于或接近于0；另一种是给检测线圈两端的电压或通过检测线圈的电流设置一个合适的取值范围，即当检测线圈两端的电压或通过检测线圈的电流在与其相应的取值范围内时，认为检测线圈两端的电压或通过检测线圈的电流等于或接近于0。
需要说明的是，无线充电系统在给电动汽车充电时，用于金属异物检测的磁场可以是发射线圈与接收线圈正常工作时产生的磁场，也可以是自检时发射线圈发射的磁场或者是其他外界产生的磁场。这些磁场可能会存在不同区域性的磁通变化，为了尽可能地抵消磁通量，两两一组相邻的两个线圈单元的面积或形状可以相同，也可以不同，只需保证最大限度地抵消两两一组相邻两个线圈单元内的磁通量，使检测线圈两端的电压尽可能低，甚至为0，也即，使通过检测线圈的电流尽可能低，甚至为0。
实际应用中，可以通过将多个上述检测线圈均匀分布在发射线圈表面的一个平面上从而构成一个面板，面板上的多个检测线圈可以为但不限于平行、垂直或者任意角度的相交、同心圆、或其他任意方式的交叉。以平行和垂直排列为例，垂直方向上的排列结果如图4(a)所示，水平方向上的排列结果如图4(b)所示，其中，相互平行的检测线圈之间保持较小距离的固定间隔。将面板的水平方向和垂直方向均分布上述检测线圈，且水平方向上的检测线圈与垂直方向上的检测线圈交错叠加，就构成了本发明一实施例中的金属异物检测装置。
如果金属异物(图5中黑色实心圆)落在图5所示的位置，由于金属异物在相邻检测线圈的覆盖面积相等，同样会导致相邻检测线圈的电磁感应电压相抵消，从而构成检测盲点。为了解决该问题，可以通过将检测线圈交错排列和/或减小每个检测线圈中线圈单元的大小来解决，还可以考虑增加检测线圈数量，且检测线圈之间交错分布。
可选地，所述m个检测线圈和所述n个检测线圈构成所述金属异物检测装置的第一层线圈，所述金属异物检测装置还包括与所述第一层线圈完全相同的第二层线圈，所述第一层线圈与所述第二层线圈在第三方向和/或第四方向上交错叠加。
所述第三方向和所述第四方向可以是平面上的任意两个不同方向，参照图6所示的金属异物检测装置中检测线圈的排列示意图，所述第一层线圈与所述第二层线圈在第三方向和第四方向上交错叠加，其中，所述第三方向与所述第一方向相同，所述第四方向与所述第二方向相同。在该金属异物检测装置中，水平方向和垂直方向上检测线圈的数量均加倍，且同一方向上同一位置的检测线圈以较小的距离错开，由此可以使金属异物所在的各个检测线圈上的电磁感应电压不能抵消完全，从而提高金属异物检测的灵敏度，还能消除检测盲点。可以理解，如果检测线圈的数量足够多，且检测线圈之间交错距离足够小，就能实现无检测盲点。
进一步地，所述线圈单元的大小小于预设的最小金属异物的大小。
本发明提出的金属异物检测装置，包括第一方向上平行且均匀排列的m个检测线圈和第二方向上平行且均匀排列的n个检测线圈，第一方向上的检测线圈与第二方向上的检测线圈叠加；所述检测线圈由k个线圈单元构成，从所述检测线圈的一端开始，两两线圈单元为一组，各组包含的线圈单元不相同，且每组内的两个线圈单元的面积相等、绕向相反，将所述检测线圈的各个线圈单元置于磁场中时，所述检测线圈的电压或电流在预设的取值范围内，这种结构的金属异物检测装置，由于同一方向上的各个检测线圈平行且均匀排列，不同方向上的检测线圈叠加，能够较大程度地检测到磁场中存在的金属异物，提高对金属异物检测的灵敏度。
本发明还提供一种基于上述金属异物检测装置的金属异物检测方法，如图7所示，示出了本发明金属异物检测方法第一实施例的流程示意图，所述金属异物检测方法包括：
S10、获取所述金属异物检测装置置于磁场中时各个检测线圈的电压或电流；
本发明金属异物检测方法基于无线充电系统来实施，所述无线充电系统包括基建端和车载端，车载端包括接收线圈、接收端电路及控制器、车载电池等，基建端是埋在地面下的部分，包括发射线圈、发射端电路及控制器，还可包括上述实施例所述的金属异物检测装置，以及金属异物检测电路。所述接收线圈用于接收基建端的发射线圈的电能，经过接收端电路和控制器转换成电池需要的电能，对车载电池进行充电。所述金属异物检测装置敷设在所述发射线圈的表面，所述金属异物检测装置上各个检测线圈的检测信号(电压信号或电流信号)，通过所述金属异物检测装置内部的检测电路处理后送到基建端的控制器(也可以为独立于基建端的控制器的一个处理器)进行金属异物检测分析处理。
可通过无线充电系统开机前自检和开机后在线检测两种方式，对金属异物进行检测。在自检方式中，由发射线圈发射磁场或者是由其他外界产生一定强度的磁场，在线检测方式中，是通过发射线圈和接收线圈产生高强度的磁场。
可以以电压或电流为参数判断各个检测线圈上是否有异物，如通过半桥或者全桥整流后滤波等方式送给相关电压或电流的检测电路，还可以通过信号处理电路直接采集高频交流信号等方式。
由于发射线圈的磁场变化可能会比较大，因此检测线圈上的电压或电流变化范围较大，可通过在线调节检测电路增益的方式实现大范围信号的精确检测，例如，通过基建端的控制器根据传输功率大小在线调节可变增益运放的方式实现。
S20、根据预置的所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压或电流的取值范围，确定出获取到的检测线圈的电压或电流不在其相应的取值范围内的检测线圈；
由于检测线圈中两两一组的相邻两个线圈单元之间的感应电压在正常情况下设计为尽可能相互抵消，但是在实际工程设计中可能仍有差异，或者由于无线充电系统发射线圈上磁通分布不均匀，导致检测线圈仍有感应电压，因而，需要为所述金属异物检测装置上的每一个检测线圈设定一个没有异物存在时检测到的电压或电流的取值范围，在以电压为参数进行检测时，电压的取值范围中的边界值均为电压值，在以电流为参数进行检测时，电流的取值范围中的边界值均为电流值，电压或电流的取值范围中的边界值的取值，可通过在没有金属异物的情况下，多次测量在磁场中的检测线圈的电压或电流进而统计分析获得。
本实施例中，以电压为例，在获取到所述金属异物检测装置上各个检测线圈当前的电压后，根据预置的所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压的取值范围，通过比较检测到的电压与相应取值范围内的边界值的大小，判断各个检测线圈当前的电压是否在与其对应的取值范围内，从而能够确定出获取到的检测线圈两端的电压不在其相应的取值范围内的检测线圈，并能进一步统计出所确定出的检测线圈的个数。
S30、在确定出的检测线圈的个数大于0且小于所述金属异物检测装置中检测线圈的总数时，确定在磁场中存在金属异物，否则，确定在磁场中不存在金属异物。
在特殊情况下，例如磁性器件的边缘磁通变化率较大，就有可能导致感应电压超出预设的取值范围，如果所述金属异物检测装置上所有的检测线圈均出现测量出的电压或电流不在其对应的取值范围内，而一般的金属异物导致所述金属异物检测装置上所有的检测线圈各自的测量电压或电流均超出各自的取值范围的概率是极低的，因而将这种情况及类似情况下的检测结果判断为磁场中不存在金属异物。
除了上述特殊情况和确定出的测量电压或电流不在其对应的取值范围内的检测线圈的个数为0的情况，在确定出的检测线圈的个数大于0且小于所述金属异物检测装置中检测线圈的总数时，确定在磁场中存在金属异物。在本实施例中，所述金属异物检测装置中检测线圈的总数为m+n。
本发明提出的金属异物检测方法，采用本发明提出的金属异物检测装置，由于所述金属异物检测装置具有检测灵敏度高、抗干扰性强等特点，使得能够在无线充电时准确地检测出磁场中是否存在金属异物，以及时清除金属异物，减少充电时的功耗损失，降低危险发生的概率。
进一步地，基于第一实施例提出本发明金属异物检测方法第二实施例，在本实施例中，所述金属异物检测方法还包括：
在磁场中存在金属异物时，根据各个方向上确定出的检测线圈的交叉点确定金属异物的位置和/或大小。
将所述金属异物检测装置坐标化，例如，在本实施例中，以平面上的水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，如图8所示，假设在所述金属异物检测装置的第一方向(即水平方向)和第二方向(即垂直方向)分别均匀分布8个检测线圈，每个检测线圈的电压分别为水平方向上的Vd1、Vd2、…Vd8，垂直方向上的Vq1、Vq2、…Vq8，且所述金属异物检测装置上存在有金属异物，则通过检测电路分别检测到水平方向上各个检测线圈的电压和垂直方向上各个检测线圈的电压，将检测得到的数据经过滤波后送至基建端控制器的数字信号处理器，数字信号处理器首先确定测量的电压不在对应的取值范围的检测线圈，然后在坐标轴中标记出这些检测线圈的交叉位置，从而定位出金属异物的精确位置，进一步地，还可以计算金属异物的大小。
本发明提出的金属异物检测方法，采用本发明提出的金属异物检测装置，由于所述金属异物检测装置的结构特性，使得能够在检测到有金属异物存在的检测线圈交叉的位置，定位出金属异物在所述金属异物检测装置坐标系中的位置，实现了更快更精确地定位金属异物，还能进一步估计出金属异物的大小，方法简单且易于实现。
本发明还提供一种基于上述金属异物检测装置的金属异物判断装置，如图9所示，示出了本发明金属异物判断装置第一实施例的功能模块示意图，所述金属异物判断装置包括：
获取模块100，用于获取所述金属异物检测装置置于磁场中时各个检测线圈的电压或电流；
本发明金属异物判断装置基于无线充电系统来实施，所述无线充电系统包括基建端和车载端，车载端包括接收线圈、接收端电路及控制器、车载电池等，基建端是埋在地面下的部分，包括发射线圈、发射端电路及控制器，还可包括上述实施例所述的金属异物检测装置，以及金属异物检测电路。所述接收线圈用于接收基建端的发射线圈的电能，经过接收端电路和控制器转换成电池需要的电能，对车载电池进行充电。所述金属异物检测装置敷设在所述发射线圈的表面，所述金属异物检测装置上各个检测线圈的检测信号(电压信号或电流信号)，通过所述金属异物检测装置内部的检测电路处理后送到所述金属异物判断装置中进行金属异物检测分析处理。所述金属异物判断装置可设置在基建端的控制器，也可设置在独立于基建端的控制器的一个处理器，该处理器的两端分别与基建端的控制器、所述金属异物检测装置的检测电路相连。在本实施例中，所述金属异物判断装置设置在基建端的控制器。
可通过无线充电系统开机前自检和开机后在线检测两种方式，对金属异物进行检测。在自检方式中，由发射线圈发射磁场或者是由其他外界产生一定强度的磁场，在线检测方式中，是通过发射线圈和接收线圈产生高强度的磁场。
可以以电压或电流为参数判断各个检测线圈上是否有异物，如通过半桥或者全桥整流后滤波等方式送给相关电压或电流的检测电路，还可以通过信号处理电路直接采集高频交流信号等方式。
由于发射线圈的磁场变化可能会比较大，因此检测线圈上的电压或电流变化范围较大，可通过在线调节检测电路增益的方式实现大范围信号的精确检测，例如，通过基建端的控制器根据传输功率大小在线调节可变增益运放的方式实现。
确定模块200，用于根据预置的所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压或电流的取值范围，确定出获取到的检测线圈的电压或电流不在其相应的取值范围内的检测线圈；
由于检测线圈中两两一组的相邻两个线圈单元之间的感应电压在正常情况下设计为尽可能相互抵消，但是在实际工程设计中可能仍有差异，或者由于无线充电系统发射线圈上磁通分布不均匀，导致检测线圈仍有感应电压，因而，需要为所述金属异物检测装置上的每一个检测线圈设定一个没有异物存在时检测到的电压或电流的取值范围，在以电压为参数进行检测时，电压的取值范围中的边界值均为电压值，在以电流为参数进行检测时，电流的取值范围中的边界值均为电流值，电压或电流的取值范围中的边界值的取值，可通过在没有金属异物的情况下，多次测量在磁场中的检测线圈的电压或电流进而统计分析获得。
本实施例中，以电压为例，在所述获取模块100接收信号并获取到所述金属异物检测装置上各个检测线圈当前的电压后，所述确定模块200根据预置的所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压的取值范围，通过比较检测到的电压与相应取值范围内的边界值的大小，判断各个检测线圈当前的电压是否在与其对应的取值范围内，从而能够确定出获取到的检测线圈两端的电压不在其相应的取值范围内的检测线圈，并能进一步统计出所确定出的检测线圈的个数。
判断模块300，用于在确定出的检测线圈的个数大于0且小于所述金属异物检测装置中检测线圈的总数时，确定在磁场中存在金属异物，否则，确定在磁场中不存在金属异物。
在特殊情况下，例如磁性器件的边缘磁通变化率较大，就有可能导致感应电压超出预设的取值范围，如果所述金属异物检测装置上所有的检测线圈均出现测量出的电压或电流不在其对应的取值范围内，而一般的金属异物导致所述金属异物检测装置上所有的检测线圈各自的测量电压或电流均超出各自的取值范围的概率是极低的，因而所述判断模块300将这种情况及类似情况下的检测结果判断为磁场中不存在金属异物。
除了上述特殊情况和确定出的测量电压或电流不在其对应的取值范围内的检测线圈的个数为0的情况，所述判断模块300在确定出的检测线圈的个数大于0且小于所述金属异物检测装置中检测线圈的总数时，确定在磁场中存在金属异物。在本实施例中，所述金属异物检测装置中检测线圈的总数为m+n。
本发明提出的金属异物判断装置，采用本发明提出的金属异物检测装置，由于所述金属异物检测装置具有检测灵敏度高、抗干扰性强等特点，使得能够在无线充电时准确地检测出磁场中是否存在金属异物，以及时清除金属异物，减少充电时的功耗损失，降低危险发生的概率。
进一步地，基于上述第一实施例提出本发明金属异物判断装置第二实施例，在本实施例中，参照图10，所述金属异物判断装置还包括：
定位模块400，用于在磁场中存在金属异物时，根据各个方向上确定出的检测线圈的交叉点确定金属异物的位置和/或大小。
在所述定位模块400中，首先将所述金属异物检测装置坐标化，例如，在本实施例中，以平面上的水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，如图8所示，假设在所述金属异物检测装置的第一方向(即水平方向)和第二方向(即垂直方向)分别均匀分布8个检测线圈，每个检测线圈的电压分别为水平方向上的Vd1、Vd2、…Vd8，垂直方向上的Vq1、Vq2、…Vq8，且所述金属异物检测装置上存在有金属异物，则通过检测电路分别检测到水平方向上各个检测线圈的电压和垂直方向上各个检测线圈的电压，将检测得到的数据经过滤波后送至基建端控制器的数字信号处理器，数字信号处理器首先确定测量的电压不在对应的取值范围的检测线圈，然后在坐标轴中标记出这些检测线圈的交叉位置，从而定位出金属异物的精确位置，进一步地，还可以计算金属异物的大小。
本发明提出的金属异物判断装置，采用本发明提出的金属异物检测装置，由于所述金属异物检测装置的结构特性，使得能够在检测到有金属异物存在的检测线圈交叉的位置，定位出金属异物在所述金属异物检测装置坐标系中的位置，实现了更快更精确地定位金属异物，还能进一步估计出金属异物的大小。
本发明还提供一种无线充电系统，如图11所示，示出了本发明无线充电系统一实施例的结构示意图。所述无线充电系统包括基建端和车载端，所述基建端的发射线圈10表面敷设有上述实施例所述的金属异物检测装置11，所述基建端包括上述任一实施例所述的金属异物判断装置。
进一步地，所述金属异物判断装置设置在基建端的控制器12，所述金属异物检测装置11中的检测电路与所述基建端的控制器12相连，所述检测电路用于获取所述金属异物检测装置11上各个检测线圈的电压或电流信号，并将获取到的各个检测线圈的电压或电流信号经过处理后发送到所述基建端的控制器12。
车载端包括接收线圈20、接收端电路及控制器21、车载电池22等，基建端是埋在地面下的部分，包括发射线圈10、发射端电路及控制器12，还可包括上述实施例所述的金属异物检测装置11(内部有电压或电流的检测电路)。所述接收线圈20用于接收基建端的发射线圈10的电能，经过接收端电路和控制器21转换成电池需要的电能，对车载电池22进行充电。所述金属异物检测装置11敷设在所述发射线圈10的表面，所述金属异物检测装置11上各个检测线圈的检测信号(电压信号或电流信号)，通过所述金属异物检测装置11内部的检测电路处理后送到基建端的控制器12进行金属异物检测分析处理。
在另一实施例中，可将所述金属异物检测装置11设置为独立于基建端的控制器12的一个处理器，此时，所述处理器的两端分别与基建端的控制器12、所述金属异物检测装置11相连。
可通过无线充电系统开机前自检和开机后在线检测两种方式，对金属异物进行检测。在自检方式中，由发射线圈10发射磁场或者是由其他外界产生一定强度的磁场，在线检测方式中，是通过发射线圈10和接收线圈20产生高强度的磁场。
本发明提出的无线充电系统，采用本发明提出的金属异物检测装置11和本发明提出的金属异物判断装置，由于所述金属异物检测装置11具有检测灵敏度高、抗干扰性强等特点，使得所述金属异物判断装置能够在无线充电时准确地检测出磁场中是否存在金属异物，以及时清除金属异物，减少充电时的功耗损失，降低危险发生的概率。
以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (7)
1.一种金属异物检测装置，其特征在于，所述金属异物检测装置包括第一方向上平行且均匀排列的m个检测线圈和第二方向上平行且均匀排列的n个检测线圈，第一方向上的检测线圈与第二方向上的检测线圈叠加；所述检测线圈由k个线圈单元构成，从所述检测线圈的一端开始，两两线圈单元为一组，各组包含的线圈单元不相同，且每组内的两个线圈单元的面积相等、绕向相反，将所述检测线圈的各个线圈单元置于磁场中时，所述检测线圈的电压或电流在预设的取值范围内，所述各个检测线圈的电压或电流的取值范围由预设的边界值、开/闭区间符号确定，所述检测线圈包括由一根导线，或多根导线串联，组成闭合感应的线圈；
所述m个检测线圈与所述n个检测线圈交错叠加；所述m个检测线圈和所述n个检测线圈构成所述金属异物检测装置的第一层线圈，所述金属异物检测装置还包括与所述第一层线圈完全相同的第二层线圈，所述第一层线圈与所述第二层线圈在第三方向和/或第四方向上交错叠加。
2.如权利要求1所述的金属异物检测装置，其特征在于，所述线圈单元的大小小于预设的最小金属异物的大小。
3.如权利要求1所述的金属异物检测装置，其特征在于，所述检测线圈上连接有一个或多个元器件。
4.一种基于如权利要求1-3任一项所述的金属异物检测装置的金属异物检测方法，其特征在于，所述金属异物检测方法包括：
获取所述金属异物检测装置置于磁场中时各个检测线圈的电压或电流；
根据预置的所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压或电流的取值范围，确定出获取到的检测线圈的电压或电流不在其相应的取值范围内的检测线圈；
在确定出的检测线圈的个数大于0且小于所述金属异物检测装置中检测线圈的总数时，确定在磁场中存在金属异物，否则，确定在磁场中不存在金属异物；
在磁场中存在金属异物时，根据各个方向上确定出的检测线圈的交叉点确定金属异物的位置和/或大小。
5.一种基于如权利要求1-3任一项所述的金属异物检测装置的金属异物判断装置，其特征在于，所述金属异物判断装置包括：
获取模块，用于获取所述金属异物检测装置置于磁场中时各个检测线圈的电压或电流；
确定模块，用于根据预置的所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压或电流的取值范围，确定出获取到的检测线圈的电压或电流不在其相应的取值范围内的检测线圈，其中，所述各个检测线圈的电压或电流的取值范围由预设的边界值、开/闭区间符号确定，所述检测线圈包括由一根导线，或多根导线串联，组成闭合感应的线圈；
判断模块，用于在确定出的检测线圈的个数大于0且小于所述金属异物检测装置中检测线圈的总数时，确定在磁场中存在金属异物，否则，确定在磁场中不存在金属异物；
定位模块，用于在磁场中存在金属异物时，根据各个方向上确定出的检测线圈的交叉点确定金属异物的位置和/或大小。
6.一种无线充电系统，包括基建端和车载端，其特征在于，所述基建端的发射线圈表面敷设有如权利要求1-3任一项所述的金属异物检测装置，所述基建端包括如权利要求5所述的金属异物判断装置。
7.如权利要求6所述的无线充电系统，其特征在于，所述金属异物判断装置设置在基建端的控制器，所述金属异物检测装置中的检测电路与所述基建端的控制器相连，所述检测电路用于获取所述金属异物检测装置上各个检测线圈的电压或电流信号，并将获取到的各个检测线圈的电压或电流信号经过处理后发送到所述基建端的控制器。
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